碱金属-碳-二氧化氮高能量密度材料的高通量结构筛选与物性研究

High-energy density materials (HEDM) play an important role in civil, military and aerospace applications because of its high-performance and eco-friend. However, the safety and stability reasons constrain the further utilization of CHNO as well as nitrogen based energetic material. Therefore, we propose a searching of the stable HEDM in alkali metal-carbon-nitrogen dioxide ternary system under pressure (0-100 GPa) based on the crystal structure prediction and high-throughput screening combine with first-principles calculation. To overcome the huge computational barrier of multi-elements prediction, a constraint module is developed and interfaced with the structure prediction code. Thus, we mix two energetic units with a strong electronic positive element, i.e., C, -NO2 and alkali metal, to stabilize the C-N-O network. In addition, both enthalpy and crystal density are included as the criteria to predict a HEDM with dense packing. We perform chemical bonding and electronic structure analysis to understand the chemical/physical mechanism behind the structure. Then we propose the rational synthesis way according to the possible reactant, product and the calculation of the reaction barrier. Moreover, the energetic properties and performance of material are evaluated at the ambient condition by using ab initio molecular dynamics simulation. To sum, our project is to design a whole process of HEDM development including prediction, analysis, and evaluation. We will provide a clear explanation from the theoretical aspect for future experimental study.

高能量密度材料作为一种性能优异与环境友好的含能材料，在民用、军事以及航天领域有着极其重要的应用。鉴于传统CHNO与氮基材料存在合成难度大、稳定性较差等局限性，本项目拟在最新发展的晶体结构预测方法基础上开发-NO2基团限制模块，克服多组元搜索中计算量过大的问题。结合高通量结构筛选与第一性原理计算，对碱金属-碳-二氧化氮三元体系在0-100GPa压力下的稳定结构进行系统搜索。利用碳与二氧化氮两种重要含能基团与强电正性碱金属的组合，降低合成压力，以焓值与晶体密度为双重判据，筛选出含C-N-O聚合网络的新型高能量密度材料。通过电子结构和成键机理的分析，阐明结构的理化性质，揭示其在压力下的相变规律，提出可能的材料合成路径。利用第一性原理分子动力学实现温度的加载，对材料的含能性质和服役性能进行系统评价。本项目拟从预测、分析到评价，建立一套高能量密度材料的开发流程，为实验研究提供重要理论依据。

高能量密度材料是一种兼具优异爆轰性能和环境友好型的含能材料，在民用、国防以及航空航天有着广泛的应用。本项目通过对分子晶体结构设计，采用晶体结构预测方法，同时结合第一性原理计算，针对不同的含能基团的结构特点，发展了具有识别和筛选含硝酸根离子、五唑阴离子、氮杂环等基团功能的结构限制模块，实现了多组元、多目标的晶体结构预测。项目首先以五唑阴离子为含能离子盐的储能基元，以Hf4+、Rh3+、Ir3+、Ni2+、Fe2+、Pd2+、Ag+等金属为阳离子，在不同压力条件下预测了金属-五唑阴离子稳定化合物，得到了十二种具有丰富空间结构的五唑阴离子盐。第一性原理分子动力学和晶格动力学计算表明，十二种五唑阴离子盐均可以在相应环境压力下达到热力学和动力学的稳定；其次，通过在芳香结构中引入C、O原子，设计了新型氮杂环戊二唑阴离子，并以碱土金属作为阳离子，预测了常压和高压下条件下碱（土）金属-氮杂环体系含能离子盐的稳定相，探究了其相变规律，分析了化合物的成键特性。最后，以焓值和密度作为高能量密度材料的判断标准，对锂-碳-氮三元体系的稳定构型进行搜索，构建了锂-碳-氮的三元压力相图，筛选出含C-N或C-N-O网络的新型聚合结构，预测出五种具有高能量密度的材料。本项目从预测、分析到评价，建立了一套高能量密度材料的开发流程，为后续高能量密度材料的探索提供了理论基础。

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